1、1,计算机图形学,钟慧湘吉林大学计算机科学与技术学院,2,教学要求： 了解图形系统的框架及其涉及的软件、硬件技术； 了解图形学的基本问题，掌握图形学的基本概念、方法与算法； 对与图形相关的应用及当前的研究领域有初步认识； 具有一定的实践编程能力。通过学习本课程，为今后从事计算机辅助设计和制造、科学计算可视化、计算机图形处理等方面的工作打下良好的基础。考核方法： 作业20%期末笔试80%；,3,教材：徐长青，许志闻，郭晓新等，计算机图形学，机械工业出版社参考书：孙家广，计算机图形学，清华大学出版社，1999。 Donald Hearn, M. Pauline Baker著，蔡士杰，宋继强，蔡敏等
2、译,计算机图形学，电子工业出版社，2002。 唐荣锡，计算机图形学教程（修订版），科学出版社，2000。,4,第一章 计算机图形学简介,第一节 计算机图形学 第二节 计算机图形学的起源 第三节 计算机图形学的应用及发展 第四节 图形系统的硬件 第五节 计算机图形标准,5,计算机图形学(Computer Graphics) 指用计算机产生对象图形的输出的技术。更确切地说，计算机图形学是研究通过计算机将数据转换为图形，并在专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。计算机图形学综合应用了数学、计算机科学等多方面的知识。,第一节 计算机图形学,6,图形是计算机图形学的关键概念。用计算机产生图形因此必
3、须考虑以下问题：如何准备图形的数据？ 如何在计算机中表示图形？ 如何显示已准备好的图形？ 如何实现与图形与人的交互操作？,7,图形是对象的一种外在表现形式，它是对象有关信息的具体体现。所谓对象，可以是各种具体的、实在的物体，如家具、机械零件、房屋建筑等，也可以是抽象的、假想的事物，如天气形势、人口分布、经济增长趋势等等。能够正确地表达出一个对象性质、结构和行为的描述信息，称为这个对象的模型。模型 图形,计算机图形学,8,图形的构成要素： 几何要素：刻画对象的轮廓、形状等 非几何要素：刻画对象的颜色、材质等计算机中图形的表示方法: 点阵表示：枚举出图形中所有的点 图像 参数表示：形状参数+属性参
4、数 图形,9,图形和图像的区别质是矢量图与位图的关系。矢量图是用一系列计算机指令来描述一幅图，这种方法实际是用数学方法来描述一幅图，是许多的数学表达式通过语言表达出来。位图是把彩色图分成许许多多的象素，每个象素用若干个二进制位来指定该象素的颜色、亮度和属性。,10,除了在构成原理上的区别之外，还有以下区别： 1、获取方式不同； 2、存储空间不同，图像的数据量相对较大，图形的数据量相对较少。 3、显示速度不同； 4、图像的像点之间没有内在的联系，在放大与缩小时，部分像点被丢失或被重复添加，导致图像的清晰度受影响，而图形由运算关系支配，放大与缩小不会影响图形的各种特征； 5、图像的表现力较强，层次
5、和色彩较丰富，适合表现自然的、细节的事物；图形则适于表现变化的曲线、简单的图案、运算的结果等。,11,图象处理(Image Processing)是指用计算机来改善图象质量的数字技术。 模式识别(Pattern Recognition)是指用计算机对输入图形进行识别的技术。 计算几何(Computational Geometry)是研究几何模型和数据处理的学科。,与计算机图形学相关的学科,12,13,计算机图形学,14,图像处理,15,16,计算几何,17,模式识别,18,交互式计算机图形学(Interactive Computer Graphics)是指用计算机交互式地产生图形的技术。 交互
6、设备是实现交互技术，完成交互任务的基础。交互设备有定位、键盘、选择、取值和拾取。 交互任务是用户输入到计算机的一个单元信息，基本任务有四种：定位、字串、选择、取数。,19,第二节 计算机图形学的起源,1962年，MIT林肯实验室的Ivan E.Sutherland 发表了一篇题为“Sketchpad：一个人机交互通信的图形系统”的博士论文，他在论文中首次使用了计算机图形学“Computer Graphics”这个术语，证明了交互计算机图形学是一个可行的、有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。,1950年，第一台图形显示器作为美国麻省理工学院（MIT）旋风I号（
7、Whirlwind I）计算机的附件诞生了。该显示器用一个类似于示波器的阴极射线管（CRT）来显示一些简单的图形。,20,伊万萨瑟兰（Ivan Edward Sutherland）计算机图形学之父1959年，萨瑟兰在卡内基梅隆大学获得电气工程学士 学位，第二年在加州理工学院获得硕士学位。后来，萨瑟兰 到MIT攻读博士学位，在著名的林肯实验室的TX-2计算机上 去完成导师交给他的博士论文课题三维的交互式图形系 统。用了三年时间完成了这个艰巨而复杂的任务，开发成功 了著名的Sketchpad系统。答辩时，包括信息论创始人香农、有“人工智能之父” 之称的明斯基、计算机图形学的先驱孔斯(Steven
8、Anson Coons，他在1958年率 先提出CAD概念，20世纪60年代提出孔斯曲面，即用小块曲面片组合以表示 自由型曲面，使曲面片边界上达到任意阶连续）等著名学者、教授组成的答 辩委员会全体一致给萨瑟兰的博士论文打了“优”。Sketchpad的成功奠定了萨 瑟兰作为“计算机图形学之父”的基础，并为计算机仿真、飞行模拟器、CAD CAM、电子游戏机等重要应用的发展打开了通路。 1988年，享有“计算机图形学之父”美誉的伊万萨瑟兰成为当年的图灵奖获 得者。此外，他还是美国工程院兹沃里金奖的第一位得主；1975年他被系统、 管理与控制论学会授予“杰出成就奖”；1986年IEEE授予他皮奥尔奖；
9、1994年 ACM授予他软件系统奖，1983年为纪念计算机图形学的先驱孔斯而建立以他的 名字命名的奖项时，把第一个孔斯奖授予了萨瑟兰这众多荣誉充分说明了 苏泽兰特在计算机图形学、计算机体系结构和逻辑电路方面做出了卓越的贡献。,21,60年代中期，麻省理工学院、通用汽车公司、贝尔电话实验室和洛克希德飞机公司等都在进行大规模的计算机图形显示研究，从此开始了计算机图形学的黄金年代。 70年代是计算机图形学发展过程中一个重要的历史时期。很多国家应用了交互式图形显示，这些技术广泛地应用在计算机辅助设计、事物管理、过程控制、教育等诸多领域。70年代计算机图形学的两个重要进展是真实感图形学和实体造型技术的产
10、生。1974年，美国国家标准化局（ANSI）提出了有关图形软件功能的标准化问题，并制定了一些标准，这些标准的制定，为计算机图形学的推广、应用、资源信息共享，起到了重要作用。,22,80年代，超大规模集成电路的发展，为图形学的飞速发展奠定了物质基础。计算机的运算能力的提高，图形处理速度的加快，使得图形学的各个研究方向得到充分发展，图形学已广泛应用于动画、科学计算可视化、CAD/CAM、影视娱乐等各个领域。 90年代以来，微机和软件系统的普及使得图形学的应用领域日益广泛。科学计算的可视化、虚拟现实环境的应用又向计算机图形学提出了许多更高更新的要求，使得三维乃至高维计算机图形学在真实性和实时性方面将
11、有飞速发展。,23,第三节 计算机图形学的应用及发展,科学计算 制图学 计算机辅助设计和计算机辅助制造 计算机仿真 计算机动画、计算机艺术 过程控制 、计算机艺术及办公室自动化,24,25,26,27,28,29,科学计算可视化,30,图形用户界面,31,虚拟制造(VM)是以制造技术、计算机技术支持的系统建模技术和仿真技术为基础，集现代制造工艺、计算机图形学、并行工程、人工智能、人工现实技术和多媒体等多种技术为一体，由多学科知识形成的一种综合系统技术。它将现实制造环境及其制造过程通过建立系统模型映射到计算机与相关技术所支撑的虚拟环境中，在虚拟环境下模拟现实制造环境及制造过程的一切活动和产品的制
12、造全过程，并对产品制造及制造系统的行为进行预测和评价。,虚拟制造系统,32,虚拟现实系统,33,基于位置相关的地理图形的关于各种资源的综合信息系统 军事国防，决策支持，旅游，资源调查等。 数字地球，地形和地理数据作为载体的全球信息化。数字地球：1998年1月，美国副总统戈尔提出了这一设想。在数字地球技术的支持下。“一个小孩”可以虚拟的、同时又是“真实的”对全球感兴趣区域、感兴趣信息的进行发现和漫游。,地理信息系统（GIS）,34,35,计算机仿真,36,计算机图形学主要研究内容,图形的生成和表示技术 图形的操作与处理方法 图形输出设备与输出技术的研究 图形输入设备、交互技术及用户接口技术的研究
13、 图形信息的数据结构及存储、检索方法 几何模型构造技术,37,动画技术、计算机艺术 图形软硬件的系列化、模块化和标准化的研究 科学计算的可视化技术 虚拟现实技术,38,第四节 图形系统的硬件,计算机图形系统：计算机显示处理器(DPU)图形显示器输入设备（键盘、图形输入板等 ）硬拷贝设备（绘图机、打印机等 ）,39,显示处理器显示处理器（显卡）是图形系统结构的重要元件，是连接计算机和显示终端的纽带。一个显卡的主要配件有显示主芯片、显示缓存（简称显存）、数字模拟转换器（RAMDAC）。,40,显卡工作原理简单示意图,41,图形显示器图形显示器是最终产生图形显示效果的部件。,42,CRT原理图,43
14、,CRT组成部分： 1.阴极：当它被加热时，发射电子； 2.控制栅：控制电子束偏转的方向和运动速度； 3.聚焦系统：保证电子束在轰击屏幕时，汇聚成很细的点； 4.加速电极：产生高速的电子束； 5.偏转系统：控制电子束在屏幕上的运动轨迹； 6.荧光屏：当被电子束轰击时发出亮光。,44,CRT的种类：刷新式存储管式画线显示器存储管式显示器刷新式光栅扫描显示器,45,CRT图形显示器工作方式有两种随机扫描方式 光栅扫描方式,46,47,48,象素 屏幕上可以点亮或熄灭的最小单位 分辨率 显示屏上象素的总数，常用每行的象素数与行数的乘积表示 亮度等级或称灰度等级数目是指单色显示器象素的亮度可以有多少种
15、不同的变化 帧存储器 存储屏幕上每个象素对应的颜色或亮度值,49,彩色CRT显示器显示彩色的原理 彩色CRT显示器的荧光屏上涂有三种荧光物质，它们分别能发红、绿、兰三种颜色的光。而电子枪也发出三束电子来激发这三种物质，中间通过一个控制栅格来决定三束电子到达的位置。根据屏幕上荧光点的排列不同，控制栅格也就不一样。常用CRT有荫罩式和荫栅式两种类型。,50,荫罩式显象管工作原理,51,荫栅式显示器工作原理,52,荫栅式与荫罩式的荧光屏的点排列，其中距离d就是人们平常所说的点距,53,真彩系统: 256*256*256=16M种颜色,54,光栅扫描显示器结构,55,彩色帧缓冲器示意图,56,LCD显
16、示器基本原理:液晶是一种介于液体和固体之间的特殊物质，它具有液体的流态性质和固体的光学性质。当液晶受到电压的影响时，其排列方向就会改变，此时通过它的光的折射角度就会发生变化，上下两层相互垂直的偏振膜和被扭转的液晶分子相配合使光线得以被显示信号调制成不同强度的输出信号，RGB滤色片（Color Filter，CF）把可见光滤成三原色，进而组成各种颜色来还原画面。,57,58,59,LCD的基本技术指标: 1.可视角度能看到清晰图象的最大角度被称为可视角度。一般所说的可视角度是指左右两边的最大角度相加。 2.点距和分辨率液晶屏幕的点距就是两个液晶颗粒(光点)之间的距离，一般0.280.32 mm就
17、能得到较好的显示效果。,60,输入设备用于图形输入的设备很多，一般包括鼠标、键盘、跟踪球、空间球、操纵杆、数字化仪、拨号盘和按钮盒。对于一些特殊应用，还有包括数据手套、触摸板、图像扫描仪和声音系统。,61,62,硬拷贝（输出）设备图形和图像的输出有两种模式：屏幕显示模式（用显示器显示）输出实物图纸或硬拷贝模式（打印机、绘图机、照相机、摄像机等设备都可以使用）打印机：点阵针式打印机、激光打印机、喷墨打印机、静电打印机绘图机：笔式绘图机（台式绘图机）、滚筒式绘图机、静电式绘图机、喷墨式绘图机,63,第五节 计算机图形标准,计算机图形的标准是指图形系统及其相关应用系统中各界面之间进行数据传送和通信的
18、接口标准，以及供图形应用程序调用的子程序功能及其格式标准，前者为数据及文件格式标准，后者为子程序界面标准。,64,两类标准 官方标准（标准组织制定的标准）：GKS(Graphical Kernel System)，PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)等。 工业标准（事实上的标准）：SGI等公司的OpenGL，微软公司的DirectX，X财团的Xlib，Adobe公司的PostScript等等。,65,70年代初，开始研究计算机图形软件功能标准化问题； 1974年美国成立了图形标准化规划委员会(GSPC)，提出了其
19、提出了世界上第一个图形标准方案Core； 同期，德国制订出著名的GKS标准；,66,1985年计算机图形信息标准既计算机图形核心系统（GKS）正式颁布； 之后，三维图形核心系统（GKS-3D）、程序员层次交互式图形系统（PHIGS）、计算机图形原文件（CGM）、计算机图形接口（CGI）、初始图形交换规范（IGES）以及产品数据交换标准（STEP）等相继制订并颁布。,67,CGI(Computer Graphics Interface)为用户提供控制图形硬件的一种与设备无关的方法，使得用户能够灵活方便地直接控制图形设备，它是面向图形设备的接口标准。 CGM(Computer Graphics M
20、etafile)是一套与设备无关的语义词法定义的图形文件格式。CGM提供的图形元文件规定了生成、存储、传送图形信息的格式。,68,GKS(Graphics Kernal System)提供应用程序和图形输入输出设备之间的功能接口，它是一个独立于具体语言的图形核心系统，在应用中将GKS嵌入到相应的语言中。 PHIGS(Programmers Hierarchical Interactive Graphics System)是为三维图形应用而设计的图形软件工具库。,69,GL(Graphics Library)是在工作站上广泛应用的一个标准的图形程序库。 其具有如下功能：基本图素(线、多边形等)、
21、坐标变换、设置属性和显示方式、输入输出处理、真实图形显示。 OpenGL是近几年发展起来的一个性能卓越的三维图形标准，是以SGI的GL三维图形库为基础制定的一个通用共享的开放式三维图形标准。,70,VRML(Virtual Reality Modeling Language)即虚拟现实建模语言。它是开放的、可扩展的、工业标准的景象描述语言，在Internet中用来描述三维景象。VRML是HTML的三维模拟，既可以用来建立真实世界场景的模型，也可以建立虚构的三维世界。,71,习题1试比较计算机图形学与图像处理、模式识别，计算几何的共同点和不同点。 2试举出几个计算机图形学的应用实例。,72,73,74,75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87,88,89,90,91,92,93,94,
